王文超
摘? 要:以培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理素養(yǎng)為導(dǎo)向,采用“情境—問(wèn)題—探究—猜想—證明—定理—應(yīng)用”的教學(xué)流程,利用問(wèn)題串驅(qū)動(dòng)教學(xué),借助數(shù)學(xué)軟件動(dòng)態(tài)演示輔助教學(xué),以跨學(xué)科理念創(chuàng)新“折紙實(shí)驗(yàn)”,融入我國(guó)航天成就,對(duì)“直線(xiàn)與平面垂直的判定”做了教學(xué)設(shè)計(jì),以將邏輯推理素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實(shí)處.
關(guān)鍵詞:邏輯推理素養(yǎng);直線(xiàn)與平面垂直;教學(xué)設(shè)計(jì)
邏輯推理能力是指從一些事實(shí)和命題出發(fā),依據(jù)規(guī)則推出其他命題的能力.[1]與邏輯推理能力不同,邏輯推理素養(yǎng)是表現(xiàn)在人身上的東西,不僅表明這個(gè)人具有邏輯推理能力,還表明這個(gè)人具有較好的思維品質(zhì).培養(yǎng)邏輯推理素養(yǎng)的關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)生的理性思維,幫助學(xué)生建立數(shù)學(xué)思維模式,學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)的思維思考問(wèn)題.邏輯推理素養(yǎng)的培養(yǎng)需要時(shí)間,是“涵養(yǎng)”的過(guò)程,這就要求教師利用好每堂課,滲透邏輯推理的數(shù)學(xué)思想,幫助學(xué)生積累邏輯推理的數(shù)學(xué)基本活動(dòng)經(jīng)驗(yàn),發(fā)展學(xué)生邏輯推理的核心素養(yǎng).本文從培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理素養(yǎng)的視角對(duì)“直線(xiàn)與平面垂直的判定”進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),以期為一線(xiàn)教學(xué)提供參考.
1? 教材分析
本節(jié)課選自人教A版《普通高中教科書(shū)數(shù)學(xué)必修第二冊(cè)》第八章第6節(jié)《空間直線(xiàn)、平面的垂直》,在銜接線(xiàn)面平行的判定、線(xiàn)線(xiàn)垂直的判定和線(xiàn)面垂直的定義等內(nèi)容的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究直線(xiàn)與平面垂直的判定定理,為后續(xù)學(xué)習(xí)線(xiàn)面垂直的性質(zhì)定理做了鋪墊.本節(jié)內(nèi)容蘊(yùn)含了類(lèi)比推理、歸納推理和演繹推理,是培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理素養(yǎng)的重要載體.
2? 學(xué)情分析
此階段的學(xué)生已經(jīng)掌握了線(xiàn)面平行的判定定理、線(xiàn)面垂直的定義,經(jīng)歷了線(xiàn)面平行的判定定理的探究過(guò)程,積累了探究線(xiàn)面平行判定定理的數(shù)學(xué)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn),能夠識(shí)別類(lèi)比推理、歸納推理和演繹推理.但由于學(xué)生直觀(guān)想象和邏輯推理素養(yǎng)較弱,因此運(yùn)用合情推理提出線(xiàn)面垂直的判定的猜想及用數(shù)學(xué)方法證明線(xiàn)面垂直的判定的猜想存在一定困難.
3? 教學(xué)目標(biāo)
在火箭“頂天立地不用扶”的現(xiàn)實(shí)情境中抽象出線(xiàn)面垂直的幾何模型,發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題.通過(guò)動(dòng)態(tài)演示和折紙實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)運(yùn)用合情推理提出猜想,選擇合適的論證方法證明猜想,進(jìn)一步生成線(xiàn)面垂直的判定定理,并用數(shù)學(xué)語(yǔ)言予以表達(dá),能簡(jiǎn)單地應(yīng)用定理.
在線(xiàn)面垂直的判定定理的探究過(guò)程中,積累“先猜后證”的數(shù)學(xué)活動(dòng)經(jīng)驗(yàn),知道歸納推理、類(lèi)比推理是或然推理,演繹推理是必然推理,理解歸納推理、類(lèi)比推理和演繹推理的基本形式,能夠通過(guò)舉反例說(shuō)明數(shù)學(xué)命題不成立,培養(yǎng)邏輯推理等數(shù)學(xué)核心素養(yǎng).
神舟十七號(hào)載人飛船中的數(shù)學(xué)、物理學(xué)中平面鏡成像的特點(diǎn)等融入課堂教學(xué),激發(fā)愛(ài)國(guó)熱情,學(xué)生能合理地運(yùn)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言和思維進(jìn)行跨學(xué)科的表達(dá)交流.
4? 教學(xué)重難點(diǎn)
教學(xué)重點(diǎn):理解并會(huì)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)線(xiàn)面垂直的判定定理,能簡(jiǎn)單地應(yīng)用定理.
教學(xué)難點(diǎn):提出并證明線(xiàn)面垂直的判定的猜想.
5? 教學(xué)過(guò)程總體分析
本節(jié)課教學(xué)過(guò)程的總體分析如圖1所示.圖左側(cè)部分是本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié),中間部分是教學(xué)內(nèi)容,右側(cè)部分是通過(guò)左側(cè)教學(xué)設(shè)計(jì)作用在線(xiàn)面垂直判定教學(xué)內(nèi)容上,最終達(dá)到的邏輯推理素養(yǎng)在線(xiàn)面垂直判定這一知識(shí)上的素養(yǎng)目標(biāo),闡明了本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)、“直線(xiàn)與平面垂直的判定”的教學(xué)內(nèi)容和邏輯推理素養(yǎng)目標(biāo)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián).
圖1
6? 教學(xué)過(guò)程
6.1? 創(chuàng)設(shè)情境,提出問(wèn)題
神舟十七號(hào)載人飛船發(fā)射前夕,發(fā)射塔架和扶桿逐漸打開(kāi),神州十七號(hào)載人飛船與長(zhǎng)征二號(hào)F遙十七運(yùn)載火箭組合體仍然可以筆直地豎立在活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上.
問(wèn)題1? 船箭組合體“頂天立地不用扶”的前提條件之一是保證船箭組合體與發(fā)射平臺(tái)所在平面垂直.如何檢驗(yàn)船箭組合體與發(fā)射平臺(tái)的垂直關(guān)系呢?
教師引導(dǎo)學(xué)生數(shù)學(xué)抽象,得到線(xiàn)面垂直的幾何模型.
問(wèn)題2? 如何判定直線(xiàn)與平面垂直?
【設(shè)計(jì)意圖】邏輯推理源于問(wèn)題,問(wèn)題源于情境.以神舟十七號(hào)載人飛船成功發(fā)射創(chuàng)設(shè)情境,提出核心問(wèn)題,為學(xué)生創(chuàng)造邏輯推理起點(diǎn).
預(yù)設(shè)回答:利用剛學(xué)過(guò)的線(xiàn)面垂直的定義判定.
預(yù)設(shè)追問(wèn)1? 用直線(xiàn)與平面垂直的定義判定是否可行?
教師需指出用定義法判定線(xiàn)面垂直理論上可行,但實(shí)際中不可行.
預(yù)設(shè)追問(wèn)2? 能否把驗(yàn)證平面內(nèi)的任意一條直線(xiàn)換成驗(yàn)證平面內(nèi)的幾條直線(xiàn)?類(lèi)比線(xiàn)面平行的判定能否給你啟發(fā)?
【設(shè)計(jì)意圖】引導(dǎo)學(xué)生類(lèi)比線(xiàn)面平行的判定,將驗(yàn)證平面內(nèi)“無(wú)限”條直線(xiàn)轉(zhuǎn)化成驗(yàn)證平面內(nèi)“有限”條直線(xiàn),將線(xiàn)面垂直問(wèn)題轉(zhuǎn)化成線(xiàn)線(xiàn)垂直問(wèn)題,學(xué)生體會(huì)類(lèi)比和轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)思想,理解類(lèi)比推理基本形式,提高學(xué)生數(shù)學(xué)思考水平.[2]
6.2? 動(dòng)態(tài)演示,直觀(guān)感知
探究1? 在GeoGebra環(huán)境下使用師生熟悉的四棱柱探究線(xiàn)面垂直判定定理,以問(wèn)題串驅(qū)動(dòng)探究活動(dòng).
教師引導(dǎo)學(xué)生類(lèi)比線(xiàn)面平行的判定提出問(wèn)題3.
問(wèn)題3? 當(dāng)直線(xiàn)垂直于平面內(nèi)一條直線(xiàn)時(shí),能判定該直線(xiàn)與平面垂直嗎?
教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)舉反例給予否定答案,并針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示,如圖2.
2024年第3期教學(xué)研究
教學(xué)研究2024年第3期
【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生體會(huì)類(lèi)比推理是或然推理,推理結(jié)果不一定正確.
教師引導(dǎo)學(xué)生探究直線(xiàn)垂直于平面內(nèi)兩條直線(xiàn)的情況,并提出問(wèn)題4和5.
問(wèn)題4? 當(dāng)直線(xiàn)垂直于平面內(nèi)兩條平行直線(xiàn)時(shí),能判定該直線(xiàn)與平面垂直嗎?
問(wèn)題5? 當(dāng)直線(xiàn)垂直于平面內(nèi)兩條相交直線(xiàn)時(shí),能判定該直線(xiàn)與平面垂直嗎?
圖2
圖3
對(duì)問(wèn)題4,學(xué)生同樣地通過(guò)舉反例給出否定答案,教師針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示,如圖3;對(duì)問(wèn)題5,學(xué)生舉不出反例,基本認(rèn)為:當(dāng)直線(xiàn)垂直于平面內(nèi)兩條相交直線(xiàn)時(shí),能判定該直線(xiàn)與平面垂直,但是對(duì)結(jié)論將信將疑,因此需要設(shè)置動(dòng)手操作環(huán)節(jié)進(jìn)行確認(rèn)自己的結(jié)論.
【設(shè)計(jì)意圖】將抽象問(wèn)題具象化,借助四棱柱并利用多媒體進(jìn)行探究,降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷和空間想象的壓力;引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)舉反例排除不合理假設(shè),鍛煉學(xué)生批判性思維,培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理素養(yǎng).
6.3? 操作確認(rèn),引發(fā)猜想
探究2? 引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手操作,將教材中折紙實(shí)驗(yàn)中的桌面改為平面鏡,如圖4所示,并向?qū)W生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),介紹實(shí)驗(yàn)用具及實(shí)驗(yàn)步驟.
實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo):確認(rèn)通過(guò)直觀(guān)感知得到的結(jié)論.
實(shí)驗(yàn)用具:三角形紙板、平面鏡、黑筆.
實(shí)驗(yàn)步驟:
(1)做三角形紙板底邊BC的高AD,并沿高AD翻折三角形紙板.
(2)將翻折后的三角形紙板(底邊BD,BC與鏡面接觸)豎直放置在平面鏡上.
(3)觀(guān)察三角形紙板的高AD與平面鏡中像的高AD是否在同一直線(xiàn)上,若在同一直線(xiàn)上,則三角形紙板的高AD垂直于鏡面,反之,不垂直于鏡面.
圖4
教師引導(dǎo)學(xué)生利用平面鏡成像的特點(diǎn),有邏輯地表達(dá)觀(guān)察到的現(xiàn)象與三角形紙板的高AD垂直于鏡面的關(guān)聯(lián),進(jìn)而確認(rèn)通過(guò)直觀(guān)感知得到的結(jié)論是正確的.接著,教師結(jié)合生活中具體實(shí)例,引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)歸納推理,提出線(xiàn)面垂直判定定理的猜想:當(dāng)直線(xiàn)垂直于平面內(nèi)兩條相交直線(xiàn)時(shí),則該直線(xiàn)與此平面垂直.
【設(shè)計(jì)意圖】本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新使用平面鏡,學(xué)生通過(guò)動(dòng)手操作獲得感性認(rèn)識(shí),合理地運(yùn)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言和思維進(jìn)行跨學(xué)科的表達(dá)與交流,理解歸納推理的基本形式,培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理素養(yǎng).
6.4? 合作探究,證明猜想
教師明確已知條件和要證的問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生利用反證法證明猜想.學(xué)生合作探究,上臺(tái)展示證明過(guò)程.
【設(shè)計(jì)意圖】此環(huán)節(jié)重在引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷利用反證法證明命題的一般過(guò)程,感受數(shù)學(xué)演繹證明的嚴(yán)謹(jǐn)性,進(jìn)一步理解演繹推理的基本形式,培養(yǎng)學(xué)生用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)論證過(guò)程,發(fā)展邏輯推理核心素養(yǎng).
為了深入對(duì)學(xué)生邏輯推理素養(yǎng)的培養(yǎng),教師可以引領(lǐng)學(xué)生領(lǐng)略歷史上不同數(shù)學(xué)家的經(jīng)典證明方法,如美國(guó)數(shù)學(xué)家塔潘和法國(guó)數(shù)學(xué)家勒讓德的證明方法等.該部分內(nèi)容亦可制作成視頻在課后分享給學(xué)生.
【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生從HPM的視角體會(huì)“一題多證”與“多題一證”的無(wú)限魅力,感受數(shù)學(xué)家演繹證明過(guò)程中的嚴(yán)密邏輯和理性精神.
6.5? 印證猜想,生成定理
在證明猜想成立后,教師組織學(xué)生討論交流,引導(dǎo)學(xué)生自主地生成定理.
問(wèn)題6? 如圖5,你能借助圖形語(yǔ)言嘗試用文字語(yǔ)言和符號(hào)語(yǔ)言表達(dá)線(xiàn)面垂直判定定理嗎?
學(xué)生:文字語(yǔ)言為如果直線(xiàn)與平面內(nèi)的兩條相交直線(xiàn)垂直,那么這條直線(xiàn)與這個(gè)平面垂直.符號(hào)語(yǔ)言為當(dāng)滿(mǎn)足mα,nα,l⊥m,l⊥n,m∩n=A時(shí),可以推出l⊥α.
圖5
【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生學(xué)會(huì)用三種數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)定理,將圖形語(yǔ)言與文字、符號(hào)語(yǔ)言綜合運(yùn)用,體會(huì)數(shù)學(xué)語(yǔ)言的嚴(yán)謹(jǐn)性,培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理素養(yǎng).
6.6? 應(yīng)用新知,解決問(wèn)題
問(wèn)題1? 如圖6,在三棱錐V-ABC中,VA=VC,AB=BC,K是AC的中點(diǎn).求證:AC⊥平面VKB.
問(wèn)題2? 如圖7,在(1)的條件下,若E,F(xiàn)分別是AB,BC的中點(diǎn),有人說(shuō)“∵VB⊥AC,VB⊥EF,∴VB⊥平面ABC”,這樣的說(shuō)法正確嗎?
問(wèn)題3? 如圖7,在(2)的條件下,試判斷EF與平面VKB的位置關(guān)系,并說(shuō)明理由.
問(wèn)題4? 結(jié)合問(wèn)題1-問(wèn)題3,嘗試總結(jié)判定直線(xiàn)與平面垂直的方法.
圖6
圖7
【設(shè)計(jì)意圖】問(wèn)題1考查學(xué)生線(xiàn)面垂直判定定理的簡(jiǎn)單應(yīng)用;問(wèn)題2是第一題的變式,通過(guò)改變條件,考查學(xué)生對(duì)利用線(xiàn)面垂直判定定理判定線(xiàn)面垂直時(shí)須滿(mǎn)足條件的掌握;問(wèn)題3為學(xué)生提供判定線(xiàn)面垂直的“間接法”;問(wèn)題4引導(dǎo)學(xué)生利用如圖8所示的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖歸納判定線(xiàn)面垂直的方法,有效培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力.該環(huán)節(jié)采用變式訓(xùn)練,從各個(gè)角度加深學(xué)生對(duì)新知識(shí)的理解,培養(yǎng)學(xué)生思維品質(zhì)和邏輯推理素養(yǎng).
圖8
在變式訓(xùn)練后,再次回到課堂伊始的現(xiàn)實(shí)情境,引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容解決問(wèn)題1,體現(xiàn)數(shù)學(xué)源于現(xiàn)實(shí)、高于現(xiàn)實(shí)、用于現(xiàn)實(shí).
6.7? 總結(jié)歸納,凝練素養(yǎng)
教師引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)學(xué)知識(shí)、數(shù)學(xué)思想方法和核心素養(yǎng)等不同層面對(duì)本節(jié)課進(jìn)行總結(jié),以知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的形式明確知識(shí)間的邏輯關(guān)系,關(guān)注學(xué)生邏輯推理素養(yǎng)的提升.
6.8? 布置作業(yè),再探新知
基礎(chǔ)題:如果一條直線(xiàn)與平面內(nèi)無(wú)數(shù)條直線(xiàn)都垂直,那么該直線(xiàn)與此平面是否一定垂直?
提升題:除了利用定義法、直接法和間接法判定線(xiàn)面垂直外,還有哪些方法可以判定線(xiàn)面垂直?
思考題:發(fā)射塔架和發(fā)射平臺(tái)也垂直,火箭和塔架具有怎樣的位置關(guān)系?
【設(shè)計(jì)意圖】針對(duì)學(xué)生個(gè)體的差異,采用分層作業(yè),進(jìn)一步完善知識(shí)結(jié)構(gòu).思考題將課堂伊始提出的問(wèn)題進(jìn)行變式,提出“新”問(wèn)題,引發(fā)“新”思考,為后續(xù)學(xué)習(xí)線(xiàn)面垂直的性質(zhì)埋下了伏筆.
7? 思考
7.1? 重視合情推理,鼓勵(lì)學(xué)生提出猜想
合情推理指從特殊到一般的推理,包括類(lèi)比推理和歸納推理.提出猜想是發(fā)現(xiàn)知識(shí)的重要環(huán)節(jié),而猜想的提出依賴(lài)于合情推理,因此合情推理對(duì)于發(fā)現(xiàn)知識(shí)非常重要.比起演繹推理,合情推理更能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力,是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力的重要載體.但是一線(xiàn)教學(xué)中往往更關(guān)注對(duì)學(xué)生演繹推理能力的培養(yǎng),導(dǎo)致學(xué)生合情推理能力較弱,創(chuàng)新能力不足.因此,教師要重視合情推理,鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想,引導(dǎo)學(xué)生從發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)造的視角看待數(shù)學(xué)知識(shí),做知識(shí)的發(fā)現(xiàn)者和創(chuàng)造者[3],敢于通過(guò)類(lèi)比、歸納等數(shù)學(xué)方法提出猜想.本節(jié)課中,教師引導(dǎo)學(xué)生類(lèi)比線(xiàn)面平行的判定,通過(guò)直觀(guān)感知和操作確認(rèn)等環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出猜想,培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理素養(yǎng)和創(chuàng)新能力.
7.2? 訓(xùn)練演繹推理,引導(dǎo)學(xué)生論證猜想
演繹推理是從一般到特殊的推理,主要用來(lái)驗(yàn)證猜想.高中階段的數(shù)學(xué)證明題一般都是利用演繹推理完成的,教師應(yīng)以數(shù)學(xué)證明題為主抓手,訓(xùn)練學(xué)生演繹推理.在設(shè)計(jì)證明題時(shí),教師應(yīng)采用變式訓(xùn)練,充分鍛煉學(xué)生思維,提高學(xué)生思考能力.需要注意的是,通過(guò)證明題培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理素養(yǎng),應(yīng)關(guān)注學(xué)生對(duì)證明思路的把握,做到就題論道,而非就題論題,不應(yīng)只關(guān)注學(xué)生解題的數(shù)量.教學(xué)中,在學(xué)生通過(guò)合情推理提出數(shù)學(xué)猜想后,教師也應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)演繹推理論證猜想,這個(gè)過(guò)程中學(xué)生選擇合適的論證方法對(duì)猜想予以證明,并嘗試用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言表述論證過(guò)程,無(wú)不彰顯著數(shù)學(xué)理性思維.本節(jié)課中,學(xué)生在提出線(xiàn)面垂直的猜想后,鼓勵(lì)學(xué)生利用反證法等多種方法論證猜想,培養(yǎng)學(xué)生形成重論據(jù)、有條理、合乎邏輯的思維品質(zhì)和理性精神.
7.3? 梳理知識(shí)脈絡(luò),促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建體系
數(shù)學(xué)知識(shí)具有完整的知識(shí)結(jié)構(gòu),相關(guān)概念、定理之間存在緊密聯(lián)系,比如概念間存在強(qiáng)抽象與弱抽象的關(guān)系,定理間存在上位、下位和并列關(guān)系等.而現(xiàn)實(shí)教學(xué)中,存在著重?cái)?shù)學(xué)知識(shí)點(diǎn)傳授,輕知識(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的問(wèn)題[4],往往忽視學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)整體和數(shù)學(xué)知識(shí)間關(guān)系的把握,這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理素養(yǎng)不利,也會(huì)導(dǎo)致學(xué)生在提取和綜合應(yīng)用知識(shí)時(shí)存在困難,因此應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生梳理知識(shí)脈絡(luò),構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)體系,進(jìn)而感悟數(shù)學(xué)知識(shí)間的內(nèi)在邏輯,樹(shù)立正確的數(shù)學(xué)觀(guān).本節(jié)課中,學(xué)生通過(guò)知識(shí)結(jié)構(gòu)圖梳理判定線(xiàn)面垂直的方法,明確新知與舊知間的邏輯關(guān)系,發(fā)展學(xué)生邏輯推理素養(yǎng).
參考文獻(xiàn)
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